数字逻辑器件第10章-脉冲波形的产生和整形a课件

数字电子技术数字电子技术第十章脉冲波形的产生和整形10.4多谐振荡器10.3单稳态触发器10.2施密特触发器10.1概述10.5555定时器及其应用第十章脉冲波形的产生和整形10.4多谐振荡器10.10.2.1用门电路组成的施密特触发器10.5.2用555定时器接成的施密特触发器10.4.4用施密特触发器构成的环形振荡器10.2施密特触发器10.2.3施密特触发器的应用主要教学内容有：10.3.1用门电路组成的单稳态触发器10.3单稳态触发器10.4多谐振荡器10.4.3环形振荡器10.5.1555定时器的电路结构与功能。10.5555定时器及其应用10.5.3用555定时器接成的单稳态触发器10.5.4用555定时器接成的多谐振荡器10.1概述10.2.1用门电路组成的施密特触发器10.5.210.1概述

获取矩形脉冲波形的途径有两种：一种是利用各种形式的多谐振荡器电路直接产生所需要的矩形脉冲，另一种是通过各种整形电路把已有的周期性变化波形变换为符合要求的矩形脉冲。采用整形电路的前提是要能找到频率和幅度都符合要求的已有电压信号。

定量描述脉冲特性的主要参数有：

脉冲周期

脉冲宽度

脉冲幅度

上升时间

下降时间

占空比q=tw/T10.1概述获取矩形脉冲波形的途径有两10.2施密特触发器10.2.1用门电路组成的施密特触发器10.2.3施密特触发器的应用10.2施密特触发器10.2.1用门电路组成的施密特10.2.1用门电路组成的施密特触发器

施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路。它在性能上有两个重要的特点：第一，输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。第二，在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，而且可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效的清除。10.2.1用门电路组成的施密特触发器施前提：假定反相器G1和G2是CMOS电路，它们的阀值电压为VTH≈(1/2)VDD，且R1<R2。00101、vI=0,vO=VOL≈0，v’I≈0。2、vI升高至VT＋时，即导致v’I升高到VTH时，将引起正反馈：VTH01V’I↑

→VO1

↓

→VO↑

VT+？VT＋称为正向阀值电压前提：00101、vI=0,vO=VOL≈0，v’I≈0。23、当vI从高电平VDD逐渐下降并达到VT－时，即导致v’I降低到VTH时，将引起又一个正反馈：1VT－VTH10V’I↓

→VO1

↑

→VO↓

？01将VDD＝2VTH代入得：VT－称为负向阀值电压3、当vI从高电平VDD逐渐下降并达到VT－时，即导致v’I定义VT＋与VT－之差为回差电压：图10.2.2图10.2.1电路的电压传输特性（a）同相输出（b）反相输出定义VT＋与VT－之差为回差电压：图10.2.2图1数字逻辑器件第10章-脉冲波形的产生和整形a课件10.2.3施密特触发器的应用

一、用于波形变换图10.2.8用施密特触发器实现波形变换10.2.3施密特触发器的应用一、用于波形变换

二、用于脉冲整形图10.2.9用施密特触发器对脉冲整形二、用于脉冲整形图10.2.9用施密特触发

三、用于脉冲鉴幅图10.2.10用施密特触发器鉴别脉冲幅度三、用于脉冲鉴幅图10.2.10用施密特触10.3单稳态触发器10.3.1用门电路组成的单稳态触发器10.3单稳态触发器10.3.1用门电路组成的单稳态触单稳态触发器在数字电路中一般用于定时（产生一定宽度的矩形波）、整形（把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的波形）以及延时（把输入信号延迟一定时间后输出）等。单稳态触发器具有下列特点：

（1）电路有一个稳态和一个暂稳态。（2）在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。暂稳态是一个不能长久保持的状态，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。（3）暂稳态的持续时间与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。10.3.1由门电路组成的单稳态触发器单稳态触发器在数字电路中一般用于定时（产生一定宽度的矩形一、微分型单稳态触发器微分电路：（1）时间常数τ＝RC<<tp(脉冲宽度)。（2）从电阻端输出。1、稳态：

vI=0、vI2=vDD，故vO=0、vO1=vDD，电容C上没有电压。1012、暂稳态。触发脉冲vI到达，vD端得到很窄的正负脉冲。并引发了正反馈：VD↑

→VO1↓

→VI2↓

→VO↑

000→1

1

0

0

1

1→0一、微分型单稳态触发器微分电路：（1）时间常数τ＝RC<<

1

0VTH0001→1vI2为0时，电容C开始充电，当充电导致vI2达到转换电平vTH时，又引发了另一个正反馈：VI2↑

→

VO

↓

→VO1↑

10VTH0001→1vI2为0时，电容C开始充电，当

为了定量描述单稳态触发器的性能，经常使用输出脉冲宽度tw、输出脉冲幅度Vm、恢复时间tre、分辨时间td等几个参数。

电容充、放电过程中，电容上的电压VC从充、放电开始到变化至某一数值VTH所经过的时间用下式计算：电容电压起始值电容电压充、放电终了值电容电压充、放电至某一值输出脉冲宽度：为了定量描述单稳态触发器的性能，经常使用输出脉冲输出脉冲幅度：恢复时间：

在保证电路能正常工作的前提下，允许两个相邻触发脉冲之间的最小时间间隔为分辨时间：输出脉冲幅度：恢复时间：在保证电路能正常工作的二、积分型单稳态触发器1、稳态：

vI=0，故vO=VOH、vA=vO1＝VOH

。001112、暂稳态：

1

1

0

0

VTH1

当输入电平为1时，VO1跳变为0，但因为电容两端电压不会产生突跳，因此，VA端电压仍然是高电平（逻辑1），于是与非门的两个输入端都是1，因此输出VO为0。

此时电容C开始放电，导致vA开始下降，当降为转换电平VTH时，导致VO为1，vA继续下降，直到VO1跳变为高电平。二、积分型单稳态触发器1、稳态：001112、暂稳态：1图10.3.7图10.3.5电路中电容C的放电回路和vA的波形

（a）放电回路（b）vA的波形恢复时间：分辨时间：输出脉冲宽度：输出脉冲幅度：图10.3.7图10.3.5电路中电容C的放电回路和

与微分型单稳态触发器相比，积分型单稳态触发器具有抗干扰能力较强的优点。积分型单稳态触发器的缺点是输出波形的边沿比较差，这是由于电路的状态转换过程中没有正反馈作用的缘故。此外，这种积分型单稳态触发器必须在触发脉冲的宽度大于输出脉冲宽度时才能正常工作。如想使图10.3.5所示的积分型单稳态电路在窄脉冲的触发下能够正常工作，可以采用图10.3.8所示的改进电路。与微分型单稳态触发器相比，积分型单稳态触发器具有本节小结单稳态触发器可以由门电路构成，分为微分型和积分型单稳态触发器；也可以由555定时器构成。在单稳态触发器中，有一个稳态，在输入脉冲作用下，从稳态转换到暂稳态，在暂稳态停留一段时间后，又自动返回到稳态。停留时间的长短与电路中RC值有关，即输出脉冲宽度与电路内部电容充电时间有关，与输入脉冲无关。

单稳态触发器不能自动地产生矩形脉冲，但却可以把其它形状的信号变换成为矩形波，用途很广。本节小结单稳态触发器可以由门电路构成，分为微分型和积分型10.4多谐振荡器10.4.3环形振荡器10.4.4用施密特触发器构成的环形振荡器10.4多谐振荡器10.4.3环形振荡器10.4.410.4.3环形振荡器能产生矩形脉冲的自激振荡电路叫做多谐振荡器。

环形振荡器是利用延迟负反馈产生振荡。它是利用门电路的传输延迟时间将奇数个反相器首尾相接而构成的。112233振荡周期为T=6tpd

任何大于、等于3的奇数个反相器首尾相连地接成环形电路都能产生自激振荡，而且振荡周期为：T＝2ntpd10.4.3环形振荡器能产生矩形脉冲的自激振荡电路叫做多

用上述方法构成的环形振荡器不实用，因为门电路的传输延迟时间极短，振荡频率过高，为此附加RC延迟电路。H→L：VTHL

→H，0→10→11→0VOH

→VOL

VTH–(VOH-VOL)VI3↓

→VI1↑

→VI2↓

VOL→VOH

L

→H

：VTHH→L,1→01→00→1VOL→

VOH

VOH→VOL

VI3↑

→VI1

↓

→VI2↑

VTH+(

VOH–VOL)造成振荡器自动翻转的原因是电容C的充放电电容两端电压差不会产生突跳。用上述方法构成的环形振荡器不实用，因为门电路的数字逻辑器件第10章-脉冲波形的产生和整形a课件充电时间：放电时间：设VOH=3V，VTH=1.4V，则振荡周期为T≈2.2RC充电时间：放电时间：设VOH=3V，VTH=1.4V，则振荡10.4.4用施密特触发器构成的多谐振荡器图10.4.15用施密特触发器构成的多谐振荡器电路振荡周期：图10.4.17脉冲占空比可调的多谐振荡器10.4.4用施密特触发器构成的多谐振荡器图10.4.1本节小结多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外加输入信号，就可以自动地产生出矩形脉冲。多谐振荡器可以由门电路构成，也可以由555定时器构成。多谐振荡器接通电源后就开始自动翻转，没有稳态，所以又称为无稳电路。在多谐振荡器中，由一个暂稳态过渡到另一个暂稳态，其“触发”信号是由电路内部电容充（放）电提供的，因此无需外加触发脉冲。多谐振荡器的振荡周期与电路的阻容元件有关。本节小结多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外加输入信号10.5555定时器及其应用10.5.1555定时器的电路结构与功能10.5.2用555定时器接成的施密特触发器10.5.3用555定时器接成的单稳态触发器10.5.4用555定时器接成的多谐振荡器10.5555定时器及其应用10.5.1555定时10.5.1555定时器的电路结构与功能触发端阀值端控制电压输入端5～16V复位端低电平有效放电端输出端10.5.1555定时器的电路结构与功能触发端阀值端控制0100××××低导通导通1010VI1VI2VOTD状态VC1VC21低导通0111保持保持110101截止1高截止1001高截止000100×10.5.3用555定时器接成的施密特触发器1、当时，vC1=1、vC2=0，Q=1，故vO=VOH；vI从0逐渐升高的过程：2、当时，vC1=1、vC2=1，Q=1，故vO=VOH保持不变；3、当时，vC1=0、vC2=1，Q=0，故vO=VOL。10.5.3用555定时器接成的施密特触发器1、当时，0××××低导通VI1VI2VOTD状态VC1VC21低导通011保持保持111高截止101高截止000×vI从高于(2/3)VCC逐渐下降的过程：4、当vC1=1、vC2=1，Q=1，故vO=VOH保持不变；时，5、当时，vC1=1、vC2=0，Q=1，故vO=VOH；vI从高于(2/3)VCC逐渐下降的过程：4、当vC1=1、回差电压为：

当参考电压由外接电压VCO供给时，VT＋＝VCO，VT－＝(1/2)VCO，ΔVT＝(1/2)VCO。回差电压为：当参考电压由外接电压VCO10.5.3用555定时器接成的单稳态触发器1、稳态：

vI=1、vC1=vC2=1，Q=0，vO=0，TD导通，vC=0,电容C上没有电压。11101010.5.3用555定时器接成的单稳态触发器1、稳态：1001012、暂稳态：vI=0，vC2=0，Q=1，vO=1，TD截止，电容C通过VCC充电,充电导致vC电平上升；0110103、恢复稳态：当vC电平上升至(2/3)VCC时，导致vC1为0，此时输入的触发脉冲vI已恢复高电平，vC2=1，于是Q=0，vO=0，暂稳态结束。TD导通，于是电容C通过TD迅速放电。1001012、暂稳态：vI=0，vC2=0，Q=1，vO=1输出脉冲宽度：输出脉冲宽度：

接通VCC后，VCC经R1和R2对C充电。1、当VC上升到2VCC/3时，VO=0，T导通，C通过R2和T放电，VC下降。2、当VC下降到VCC/3时，VO又由0变为1，T截止，VCC又经R1和R2对C充电。

如此重复上述过程，在输出端VO产生了连续的矩形脉冲。10.5.4用555定时器接成的多谐振荡器0101010101接通VCC后，VCC经R1和R2对C充电。电容充电时间：电容放电时间：电容充电时间：电容放电时间：电路振荡周期：电路振荡频率：输出脉冲占空比：

根据上式输出脉冲占空比始终大于50%，为此改进电路如图示。

由于二极管的单向导电性，充电时只流经R1，放电时只流经R2，因此充电时间为：电容放电时间：输出脉冲占空比：电路振荡周期：电路振荡周期：电路振荡频率：输出脉冲占空比：【例10.5.1】试用CB555定时器设计一个多谐振荡器，要求振荡周期为1秒，输出脉冲幅度大于3V而小于5V，输出脉冲的占空比q=2/3。解：电源电压取为5V可满足对输出脉冲幅度的要求。若采用图10.5.6电路，则据式10.5.6可知：故得到R1=R2。若取C=10μF，代入上式得到：【例10.5.1】试用CB555定时器设计一个多谐振荡器，要数字电子技术数字电子技术第十章脉冲波形的产生和整形10.4多谐振荡器10.3单稳态触发器10.2施密特触发器10.1概述10.5555定时器及其应用第十章脉冲波形的产生和整形10.4多谐振荡器10.10.2.1用门电路组成的施密特触发器10.5.2用555定时器接成的施密特触发器10.4.4用施密特触发器构成的环形振荡器10.2施密特触发器10.2.3施密特触发器的应用主要教学内容有：10.3.1用门电路组成的单稳态触发器10.3单稳态触发器10.4多谐振荡器10.4.3环形振荡器10.5.1555定时器的电路结构与功能。10.5555定时器及其应用10.5.3用555定时器接成的单稳态触发器10.5.4用555定时器接成的多谐振荡器10.1概述10.2.1用门电路组成的施密特触发器10.5.210.1概述

获取矩形脉冲波形的途径有两种：一种是利用各种形式的多谐振荡器电路直接产生所需要的矩形脉冲，另一种是通过各种整形电路把已有的周期性变化波形变换为符合要求的矩形脉冲。采用整形电路的前提是要能找到频率和幅度都符合要求的已有电压信号。

定量描述脉冲特性的主要参数有：

脉冲周期

脉冲宽度

脉冲幅度

上升时间

下降时间

占空比q=tw/T10.1概述获取矩形脉冲波形的途径有两10.2施密特触发器10.2.1用门电路组成的施密特触发器10.2.3施密特触发器的应用10.2施密特触发器10.2.1用门电路组成的施密特10.2.1用门电路组成的施密特触发器

施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路。它在性能上有两个重要的特点：第一，输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。第二，在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，而且可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效的清除。10.2.1用门电路组成的施密特触发器施前提：假定反相器G1和G2是CMOS电路，它们的阀值电压为VTH≈(1/2)VDD，且R1<R2。00101、vI=0,vO=VOL≈0，v’I≈0。2、vI升高至VT＋时，即导致v’I升高到VTH时，将引起正反馈：VTH01V’I↑

→VO1

↓

→VO↑

VT+？VT＋称为正向阀值电压前提：00101、vI=0,vO=VOL≈0，v’I≈0。23、当vI从高电平VDD逐渐下降并达到VT－时，即导致v’I降低到VTH时，将引起又一个正反馈：1VT－VTH10V’I↓

→VO1

↑

→VO↓

？01将VDD＝2VTH代入得：VT－称为负向阀值电压3、当vI从高电平VDD逐渐下降并达到VT－时，即导致v’I定义VT＋与VT－之差为回差电压：图10.2.2图10.2.1电路的电压传输特性（a）同相输出（b）反相输出定义VT＋与VT－之差为回差电压：图10.2.2图1数字逻辑器件第10章-脉冲波形的产生和整形a课件10.2.3施密特触发器的应用

一、用于波形变换图10.2.8用施密特触发器实现波形变换10.2.3施密特触发器的应用一、用于波形变换

二、用于脉冲整形图10.2.9用施密特触发器对脉冲整形二、用于脉冲整形图10.2.9用施密特触发

三、用于脉冲鉴幅图10.2.10用施密特触发器鉴别脉冲幅度三、用于脉冲鉴幅图10.2.10用施密特触10.3单稳态触发器10.3.1用门电路组成的单稳态触发器10.3单稳态触发器10.3.1用门电路组成的单稳态触单稳态触发器在数字电路中一般用于定时（产生一定宽度的矩形波）、整形（把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的波形）以及延时（把输入信号延迟一定时间后输出）等。单稳态触发器具有下列特点：

（1）电路有一个稳态和一个暂稳态。（2）在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。暂稳态是一个不能长久保持的状态，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。（3）暂稳态的持续时间与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。10.3.1由门电路组成的单稳态触发器单稳态触发器在数字电路中一般用于定时（产生一定宽度的矩形一、微分型单稳态触发器微分电路：（1）时间常数τ＝RC<<tp(脉冲宽度)。（2）从电阻端输出。1、稳态：

vI=0、vI2=vDD，故vO=0、vO1=vDD，电容C上没有电压。1012、暂稳态。触发脉冲vI到达，vD端得到很窄的正负脉冲。并引发了正反馈：VD↑

→VO1↓

→VI2↓

→VO↑

000→1

1

0

0

1

1→0一、微分型单稳态触发器微分电路：（1）时间常数τ＝RC<<

1

0VTH0001→1vI2为0时，电容C开始充电，当充电导致vI2达到转换电平vTH时，又引发了另一个正反馈：VI2↑

→

VO

↓

→VO1↑

10VTH0001→1vI2为0时，电容C开始充电，当

为了定量描述单稳态触发器的性能，经常使用输出脉冲宽度tw、输出脉冲幅度Vm、恢复时间tre、分辨时间td等几个参数。

电容充、放电过程中，电容上的电压VC从充、放电开始到变化至某一数值VTH所经过的时间用下式计算：电容电压起始值电容电压充、放电终了值电容电压充、放电至某一值输出脉冲宽度：为了定量描述单稳态触发器的性能，经常使用输出脉冲输出脉冲幅度：恢复时间：

在保证电路能正常工作的前提下，允许两个相邻触发脉冲之间的最小时间间隔为分辨时间：输出脉冲幅度：恢复时间：在保证电路能正常工作的二、积分型单稳态触发器1、稳态：

vI=0，故vO=VOH、vA=vO1＝VOH

。001112、暂稳态：

1

1

0

0

VTH1

当输入电平为1时，VO1跳变为0，但因为电容两端电压不会产生突跳，因此，VA端电压仍然是高电平（逻辑1），于是与非门的两个输入端都是1，因此输出VO为0。

此时电容C开始放电，导致vA开始下降，当降为转换电平VTH时，导致VO为1，vA继续下降，直到VO1跳变为高电平。二、积分型单稳态触发器1、稳态：001112、暂稳态：1图10.3.7图10.3.5电路中电容C的放电回路和vA的波形

（a）放电回路（b）vA的波形恢复时间：分辨时间：输出脉冲宽度：输出脉冲幅度：图10.3.7图10.3.5电路中电容C的放电回路和

与微分型单稳态触发器相比，积分型单稳态触发器具有抗干扰能力较强的优点。积分型单稳态触发器的缺点是输出波形的边沿比较差，这是由于电路的状态转换过程中没有正反馈作用的缘故。此外，这种积分型单稳态触发器必须在触发脉冲的宽度大于输出脉冲宽度时才能正常工作。如想使图10.3.5所示的积分型单稳态电路在窄脉冲的触发下能够正常工作，可以采用图10.3.8所示的改进电路。与微分型单稳态触发器相比，积分型单稳态触发器具有本节小结单稳态触发器可以由门电路构成，分为微分型和积分型单稳态触发器；也可以由555定时器构成。在单稳态触发器中，有一个稳态，在输入脉冲作用下，从稳态转换到暂稳态，在暂稳态停留一段时间后，又自动返回到稳态。停留时间的长短与电路中RC值有关，即输出脉冲宽度与电路内部电容充电时间有关，与输入脉冲无关。

单稳态触发器不能自动地产生矩形脉冲，但却可以把其它形状的信号变换成为矩形波，用途很广。本节小结单稳态触发器可以由门电路构成，分为微分型和积分型10.4多谐振荡器10.4.3环形振荡器10.4.4用施密特触发器构成的环形振荡器10.4多谐振荡器10.4.3环形振荡器10.4.410.4.3环形振荡器能产生矩形脉冲的自激振荡电路叫做多谐振荡器。

环形振荡器是利用延迟负反馈产生振荡。它是利用门电路的传输延迟时间将奇数个反相器首尾相接而构成的。112233振荡周期为T=6tpd

任何大于、等于3的奇数个反相器首尾相连地接成环形电路都能产生自激振荡，而且振荡周期为：T＝2ntpd10.4.3环形振荡器能产生矩形脉冲的自激振荡电路叫做多

用上述方法构成的环形振荡器不实用，因为门电路的传输延迟时间极短，振荡频率过高，为此附加RC延迟电路。H→L：VTHL

→H，0→10→11→0VOH

→VOL

VTH–(VOH-VOL)VI3↓

→VI1↑

→VI2↓

VOL→VOH

L

→H

：VTHH→L,1→01→00→1VOL→

VOH

VOH→VOL

VI3↑

→VI1

↓

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VTH+(

VOH–VOL)造成振荡器自动翻转的原因是电容C的充放电电容两端电压差不会产生突跳。用上述方法构成的环形振荡器不实用，因为门电路的数字逻辑器件第10章-脉冲波形的产生和整形a课件充电时间：放电时间：设VOH=3V，VTH=1.4V，则振荡周期为T≈2.2RC充电时间：放电时间：设VOH=3V，VTH=1.4V，则振荡10.4.4用施密特触发器构成的多谐振荡器图10.4.15用施密特触发器构成的多谐振荡器电路振荡周期：图10.4.17脉冲占空比可调的多谐振荡器10.4.4用施密特触发器构成的多谐振荡器图10.4.1本节小结多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外加输入信号，就可以自动地产生出矩形脉冲。多谐振荡器可以由门电路构成，也可以由555定时器构成。多谐振荡器接通电源后就开始自动翻转，没有稳态，所以又称为无稳电路。在多谐振荡器中，由一个暂稳态过渡到另一个暂稳态，其“触发”信号是由电路内部电容充（放）电提供的，因此无需外加触发脉冲。多谐振荡器的振荡周期与电路的阻容元件有关。本节小结多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外加输入信号10.5555定时器及其应用10.5.1555定时器的电路结构与功能10.5.2用555定时器接成的施密特触发器10.5.3用555定时器接成的单稳态触发器10.5.4用555定时器接成的多谐振荡器10.5555定时器及其应用10.5.1555定时10.5.1555定时器的电路结构与功能触发端阀值端控制电压输入端5～16V复位端低电平有效放电端输出端10.5.1555定时器的电路结构与功能触发端阀值端控制0100××××低导通导通1010VI1VI2VOTD状态VC1VC21低导通0111保持保持110101截止1高截止1001高截止000100×10.5.3用555定时器接成的施密特触发器1、当时，vC1=1、vC2=0，Q=1，故vO=VOH；vI从0逐渐升高的过程：2、当时，vC1=1、vC2=1，Q=1，故vO=VOH保持不变；3、当时，vC1=0、vC2=1，Q=0，故vO=VOL。10.5.3用555定时器接成的施密特触发器1、当时，0××××低导通VI1VI2VOTD状态VC1VC21低导通011保持保持111高